JP4653348B2 - 溶鋼加熱用プラズマトーチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマトーチのトーチ電極の溶損を抑制して長寿命化を図ることができる溶鋼加熱用プラズマトーチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋳片は、溶鋼を取鍋からタンディッシュに受湯してから、タンディッシュの底部に設けた浸漬ノズルから鋳型に注湯し、鋳型による冷却と、支持セグメントに布設した冷却水ノズルからの散水による冷却によって、凝固させてからピンチロールによって所定の速度で引き抜いて製造される。
しかし、タンディッシュに受湯する溶鋼は、常に大気に熱を放散しており、取鍋の容量が大きく、鋳造時間が長くなる場合や鋼種によって溶鋼の過熱温度を低く制限される場合に、鋳造途中からタンディッシュ内の溶鋼温度が標準温度よりも低下する。
この温度低下は、鋳型に注湯する浸漬ノズルの詰まりを生じたり、不純物（介在物）の分離が阻害されるため、鋳片の品質を損なうことになり、極端に低下すると、鋳造作業そのものが中断する場合がある。
この対策として、特開平３−４２１５９号公報に記載されているように、タンディッシュ内の溶鋼表面の上方にトーチ電極（アノード電極とカソード電極）を備えた一対のプラズマトーチを配置し、溶鋼にプラズマアークを飛ばして、プラズマアークの熱による溶鋼の加熱と、このプラズマ用のガスにアルゴンとＣＯガスを用いてアーク電圧を増加させてプラズマアークの出力を高めることが行われている。
更に、特開平６−３４４０９６号公報に記載されているように、タンディッシュ内の溶鋼表面の上方に、プラズマトーチのアノード電極を配置し、陰極を構成するカソード電極を溶鋼中に浸漬しておき、アノード電極から溶鋼表面にプラズマアークを飛ばして、溶鋼を加熱することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平３−４２１５９号公報、特開平６−３４４０９６号公報に記載された溶鋼の加熱方法では、プラズマトーチの先端が溶損や磨耗によって損耗し、プラズマトーチの寿命が極端に低下する。
この溶鋼の加熱を行う際のプラズマトーチのトーチ電極の表面は、プラズマアークの熱や溶鋼の輻射熱、及びプラズマアークやプラズマ形成用のアルゴンガス等に起因した溶鋼のスプラッシュ等によって、局部的な溶損や磨耗が発生する。
その結果、電極の表面に凹凸が形成されたり、トーチ電極の先端の板厚みが薄くなり、外側に変形していわゆる凸部（あるいは出っ張り）が発生する。
凸部が発生すると、その凸部にプラズマアークが集中し、凸部の熱負荷が大きくなり、その表面温度が電極の材料の融点より高くなる。
しかも、溶鋼の加熱は、５００〜５０００Ａの高電流を通電し、プラズマアークを溶鋼の表面に連続して飛ばして行われるため、凸部へのプラズマアークの集中と、凸部の溶損（磨耗）とが繰り返され、溶損（損耗）は急激に進行する。
そして、トーチ電極の表面の急激な損耗は、プラズマトーチの寿命を大幅に低下して溶鋼の加熱処理コストが上昇し、プラズマトーチの取り替え時間が発生し、加熱が不可能になり溶鋼温度の低下に伴う鋳片の品質の低下、浸漬ノズル詰まり等による鋳造操業の不安定化等の問題が生じる。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、溶鋼の加熱に用いるプラズマトーチのトーチ電極に生じる熱による溶損やスプラッシュによる磨耗を防止して、プラズマトーチの長寿命化を図り、鋳造操業や鋳片の品質を向上することができる溶鋼加熱用プラズマトーチを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る溶鋼加熱用プラズマトーチは、底が塞がれ内部を冷却水が流れる外筒と、該外筒の内側にアルゴンガスを通過する隙間をもって装着された有底で内部に冷却水供給路を設けた筒状のトーチ電極を備え、しかも、前記トーチ電極の下端部が放電電極部となったプラズマトーチにおいて、前記放電電極部が内部を流れる冷却水と接する底面から先端までの距離Ｌにおける平均直径をＤとした場合、距離Ｌと平均直径Ｄが下式を満たしている。
０．５〜１．１＝Ｌ／Ｄ ・・・・・（１）
これにより、トーチ電極の放電電極部の外表面の冷却が良好になり、プラズマアーク熱や溶鋼の輻射熱に起因した放電電極部の温度の上昇を抑制し、放電電極部の表面の溶損を防止でき、更に、スプラッシュ等に起因する先端の磨耗を抑制することができ、同時に冷却水の圧力等による張り出しを抑制して放電電極部の表面を平滑に維持し、プラズマアークの集中による溶損を防止することができる。Ｌ／Ｄが０．５未満になると、放電電極部の厚みが薄くなって放電電極部表面の抜熱を良くできるが、放電電極部表面に形成された凸部にプラズマアークが集中して急激な溶損を生じた際、トーチ先端肉厚全体を貫通する孔が開いてトーチ電極の寿命が低下する。一方、Ｌ／Ｄが１．１を超えると、放電電極部表面の冷却が悪くなり、表面温度の上昇による溶損やトーチ電極表面に形成される凸部に集中するプラズマアークによって急激に溶損が進行し、トーチ電極の寿命を延長することができない。この理由からＬ／Ｄを０．６〜０．９にするとより好ましい結果が得られる。
【０００６】
更に、前記プラズマトーチは、アノードトーチとカソードトーチに用いると良い。
これにより、トーチ電極を用いたアノードトーチとカソードトーチの耐溶損性が高められ、プラズマトーチの寿命を安定して延長することができる。
【０００７】
更に、トーチ電極の電流を５００〜５０００Ａとし、前記プラズマトーチに供給するプラズマ形成用のアルゴンガス量を３００〜１０００ＮＬ／分にすることが好ましい。放電電極部と溶鋼の表面の間に、放電電極部の先端を包み、しかも、放電電極部から溶鋼表面に向かってイオン化されたアルゴンガスを含むアルゴンガス流が形成されるので、放電電極部から溶鋼表面に飛ぶプラズマアークの乱れをなくしてサイドアークの発生を防止することができる。アルゴンガス量が３００ＮＬ／分未満になると、イオン化されたアルゴンガスの流れが弱くなり、放電電極部の外周を覆うアルゴンガス流が形成されず、サイドアークが発生し易くなる。一方、アルゴンガス量が１０００ＮＬ／分を超えると、プラズマアークの安定効果が期待できず、アルゴンガス流による溶鋼のスプラッシュが発生して、放電電極部の寿命が低下する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明の一実施の形態に係る溶鋼加熱用プラズマトーチの先端部の断面図、図２は距離Ｌ／平均直径Ｄとトーチ電極寿命指数の関係を表すグラフである。図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る溶鋼加熱用のプラズマトーチ１０は、先端を底部１１によって塞いで、内部には冷却水が流れる二重管からなる外筒（フロントエンドともいう）１２と、この外筒１２の内側に、アルゴンガス通路１３ａを有するスペーサ１３を挟んで、装着された有底で筒状のトーチ電極１６を有している。
外筒１２とトーチ電極１６の間には、アルゴンガスが通過する隙間を形成するアルゴンガス供給路１４が設けられている。
更に、トーチ電極１６は、外側の内外管１７と内側の内管１９とで構成される二重管からなり、内外管１７の先端部には、その先端１５ａを先細りにし図示しない加電手段に連通した放電電極部１５が取付けられている。
内管１９の内部には、冷却水給水路２０が設けており、冷却水給水路２０に供給された冷却水は、内管１９の先端に放電電極部１５の底面１５ｂと２〜１０ｍｍの隙間を開けて設けた冷却水案内板（デバイザー）２１を介して、内外管１７と内管１９の間の冷却水の排水路１８へ流れるようになっている。
【０００９】
次に、本発明の一実施の形態に係る溶鋼加熱用プラズマトーチ１０の動作について説明する。
外筒１２の内部に、２００ＮＬ／分の冷却水を供給し、外筒１２の内部及び外筒１２の底部１１を冷却することにより、雰囲気中の熱によってトーチ電極１６の先端部や胴体等の温度が上昇するのを防止し、プラズマトーチ１０が溶損したり、あるいは曲がり（変形）等の発生を防止している。
この外筒１２の内側とトーチ電極１６の外側の間に形成されたアルゴンガス供給路１４に３００〜１０００ＮＬ／分のアルゴンガスが供給され、このアルゴンガスは、トーチ電極１６の下端部（先端部）の放電電極部１５の周囲を包み、しかも、下流側に向かうアルゴンガス流を形成し、雰囲気をアルゴンガスによって置換すると共に、プラズマ形成用のガスとして利用される。
更に、トーチ電極１６の内管１９の内部の冷却水給水路２０に供給された冷却水は、下流側（図中矢印）に流下し、放電電極部１５の底面１５ｂを十分に冷却した後、排水路１８を通り、外筒１２の内側を冷却してから排水される。
【００１０】
そして、直流加電装置によって、放電電極部１５に５００〜５０００Ａで通電を行い、これにより、放電電極部１５の先端１５ａからプラズマアークが例えば、溶鋼に向かって形成される。
このプラズマアークは、２５００〜３０００℃の高温であるため、プラズマアーク熱や溶鋼等の輻射熱による熱を受けて放電電極部１５の先端１５ａの表面温度が上昇し、トーチ電極１６が急激に溶損したり、溶鋼のスプラッシュにより損耗して寿命が低下する。
【００１１】
従って、放電電極部１５の先端１５ａから放電電極部１５が冷却水に接する底面１５ｂまでの所定間隔毎の放電電極部１５の直径を求め、この値を平均した平均直径Ｄと、放電電極部１５の冷却水に接する底面１５ｂから放電電極部１５の先端１５ａまでの距離Ｌが下式を満たすようにしている。
０．５〜１．１＝Ｌ／Ｄ ・・・・・（１）
なお、Ｌ／Ｄの比を用いるのは、放電電極部１５の平均直径Ｄが受熱面として仮定でき、この受熱面から伝わる熱を底面１５ｂから冷却水によって冷却することから、底面１５ｂから放電電極部１５の先端１５ａまでの距離Ｌが重要になるからである。
このＬ／Ｄの値が０．５〜１．１の範囲を満たすことにより、放電電極部１５の表面に集中する前記したプラズマアーク熱や溶鋼等の輻射熱による熱を放電電極部１５の底面１５ｂから抜熱して放電電極部１５の表面を冷却し、放電電極部１５の先端１５ａの表面温度が上昇するのを抑制でき、しかも、放電電極部１５の先端１５ａの温度の上昇を抑制することにより、放電電極部１５の先端１５ａの表面を平滑に維持することができ、プラズマアークの集中を抑制し、温度の上昇に起因する急激な溶損や溶鋼のスプラッシュにより損耗を防止してトーチ電極１６の寿命を大幅に向上することができる。
【００１２】
更に、アルゴンガス供給路１４を通過するアルゴンガスは、放電電極部１５を囲み溶鋼に向かう流れを形成する。このアルゴンガスによって、放電電極部１５と溶鋼の間をアルゴンガス雰囲気にしているので、放電電極部１５への通電によって雰囲気中のアルゴンガスがイオン化して溶鋼に向かうプラズマアークを導き、放電電極部１５の先端１５ａから溶鋼間に良好なプラズマアークを形成することができる。
その結果、アルゴンガスのイオン化の促進によって、プラズマアークの乱れを抑制する効果がより高められ、プラズマアークを安定させることができる。
更に、プラズマアークの乱れを抑制することによって、放電電極部１５の先端１５ａと溶鋼表面の間以外の部分、例えば、外筒１２の底部１１等に短絡するサイドアークをより確実に防止することができる。
【００１３】
更に、放電電極部１５に用いる材料としては、Ｃｕ（銅）やＣｕに、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｚｒ（ジルコン）、Ｃｏ（コバルト）等の一種、あるいは二種以上を添加した組成のものを用いることができる。特に、Ｃｕ・Ｗ合金を用いると、導電性が良好になり、しかも、放電電極部１５の耐熱強度が高められ、プラズマアークの熱や溶鋼の輻射熱に対する耐溶損、及びスプラッシュ等による耐磨耗を発現できる。
【００１４】
【実施例】
次に、本発明の一実施の形態に係る溶鋼加熱用プラズマトーチの実施例について説明する。トーチ電極の放電電極部にＣｕが７０重量％の材料を用い、放電電極部の平均直径をＤｍｍ、放電電極部の先端部から冷却水によって冷却される底面までの距離をＬｍｍとし、この時のＬ／Ｄを変化させ、このトーチ電極をカソードのプラズマトーチに用いて、アルゴンガスを５００ＮＬ／分供給し、２００Ｖ、３０００Ａの電流を流してプラズマアークを発生させて溶鋼の加熱を行い、従来のカソードのプラズマトーチのトーチ電極のＬ／Ｄを指数１とした場合のトーチ電極寿命指数を調査した。その結果を図２に示す。トーチ電極の放電電極部のＬ／Ｄを１．１以下、０．５以上にすることにより、耐溶損及び耐磨耗性が向上し、トーチ電極の寿命指数を１．３〜２．３に向上でき、使用寿命を１１０〜１８０時間と大幅に延長することができた。
【００１５】
これに対し、トーチ電極の放電電極部のＬ／Ｄを１．１を超えて１．２未満にした従来の場合、プラズマアークの熱や溶鋼の輻射熱に対する溶損及び溶鋼のスプラッシュによる磨耗等が発生し、トーチ電極の寿命指数が本実施例に比べて低くなり、使用寿命が５０〜７０時間に短くなり、プラズマトーチの取り替え頻度が高くなり、溶鋼の加熱作業に支障が生じ、操業のコストも高くなった。
【００１６】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、トーチの電極の材料としては、Ｃｕや、Ｃｕに、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｏ等の一種以上を添加した組成の他に、導電性を備えた耐溶損、耐磨耗を有する他の金属あるいは合金を使用することができる。
また、プラズマトーチに用いるプラズマ形成用のガスとしては、アルゴンガスの他に、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス等を用いるか、アルゴンガスとこれ等のガスを混合して使用することができる。
更に、このプラズマトーチは、アノードトーチとカソードトーチに用いることができる。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１〜３記載の溶鋼加熱用プラズマトーチにおいては、底が塞がれ内部を冷却水が流れる外筒と、外筒の内側にアルゴンガスを通過する隙間をもって装着された有底で内部に冷却水供給路を設けた筒状のトーチ電極を備え、しかも、トーチ電極の下端部が放電電極部となったプラズマトーチにおいて、放電電極部が内部を流れる冷却水と接する底面から先端までの距離Ｌにおける平均直径をＤとした場合、距離Ｌと平均直径Ｄが所定の範囲を満たしているので、トーチ電極の放電電極部の先端の表面温度の上昇を抑制し、放電電極部表面の溶損を防止でき、更に、スプラッシュ等に起因する先端の磨耗を抑制してプラズマトーチの寿命を延長でき、しかも、鋳造操業や鋳片の品質を向上と、操業コストを低減することができる。
【００１８】
請求項２記載の溶鋼加熱用プラズマトーチにおいては、プラズマトーチは、アノードトーチとカソードトーチに用いるので、溶鋼の加熱作業が容易になり、しかも、溶鋼の加熱効率を高めることができる。
【００１９】
請求項３記載の溶鋼加熱用プラズマトーチにおいては、トーチ電極の電流を５００〜５０００Ａとし、プラズマトーチに供給するプラズマ形成用のアルゴンガス量を３００〜１０００ＮＬ／分にするので、トーチ電極から溶鋼表面に向かってイオン化されたアルゴンガスの流れが形成され、良好なプラズマアークを形成でき、プラズマアークのサイドアークの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る溶鋼加熱用プラズマトーチの先端部の断面図である。
【図２】Ｌ／Ｄとトーチ電極寿命指数の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１０：プラズマトーチ、１１：底部、１２：外筒（フロントエンド）、１３：スペーサ、１３ａ：アルゴンガス通路、１４：アルゴンガス供給路、１５：放電電極部、１５ａ：先端、１５ｂ：底面、１６：トーチ電極、１７：内外管、１８：排水路、１９：内管、２０：冷却水給水路、２１：冷却水案内板（デバイザー）

Claims (3)

1. 底が塞がれ内部を冷却水が流れる外筒と、該外筒の内側にアルゴンガスを通過する隙間をもって装着された有底で内部に冷却水供給路を設けた筒状のトーチ電極を備え、しかも、前記トーチ電極の下端部が放電電極部となったプラズマトーチにおいて、前記放電電極部が内部を流れる冷却水と接する底面から先端までの距離Ｌにおける平均直径をＤとした場合、距離Ｌと平均直径Ｄが下式を満たしていることを特徴とする溶鋼加熱用プラズマトーチ。
   ０．５〜１．１＝Ｌ／Ｄ
2. 請求項１記載の溶鋼加熱用プラズマトーチにおいて、前記プラズマトーチは、アノードトーチとカソードトーチに用いることを特徴とする溶鋼加熱用プラズマトーチ。
3. 請求項１又は２記載の溶鋼加熱用プラズマトーチにおいて、前記トーチ電極の電流を５００〜５０００Ａとし、前記プラズマトーチに供給するプラズマ形成用のアルゴンガス量を３００〜１０００ＮＬ／分にすることを特徴とする溶鋼加熱用プラズマトーチ。

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